بخشی از مقاله
چکیده
سازههای کنترل شیب، یکی از انواع سازههای حفاظتی است که برای جلوگیری از فرسایش بستر کانالهای آبرفتی مورد استفاده قرار میگیرد. جریان خروجی آب از روی این سازه در برخورد با رسوبات بسترسبب آبشستگی قابل توجهی میشود که منجر به تخریب سازه میگردد . شناخت عوامل فرسایش بستگی به شناخت الگوی جریان دارد که با توجه به سه بعدی بودن آن و دشواری اندازهگیری مولفههای سه بعدی از طریق شبیه سازی با مدل امکان پذیر است که در این مطالعه از مدل Flow-3D استفاده شده است.
برای کالیبره کردن مدل اندازهگیری سرعت در دبی جریان 25 لیتر بر ثانیه و با عمق پایاب معادل 21 سانتیمتردر آزمایشگاه انجام شده است. نتایج نشان داد که به کمک مدل آشفتگی RNG نرم افزار Flow-3D قابلیت بسیار خوبی در برآورد پارامترهای هیدرولیکی و همچنین الگوی جریان دارد به طوری که تا حدود 5 درصد خطا در برآورد نیمرخ سطح آب شبیهسازی شده مشاهده گردید.
-1 مقدمه
از دیرباز تحقیق درخصوص آبشستگی از مباحث موردعلاقه و توجه محققین بوده است. اهمیت موضوع از آنجا ناشی میشود که با احداث هر سازه هیدرولیکی در مسیر طبیعی رودخانه، الگوی جریان در پاییندست، بالادست ویا مجاورت سازه بگونهای تغییر می-کند که جریانهای سهبعدی شکل میگیرند. وجود این نوع جریان های سهبعدی منجر به ایجاد جریانهای چرخشی متعدی می-شود. شناخت چگونگی شکل گیری این گرداب ها ی چرخشی و عواملی که در پبدایش آنها نقش دارندکمک خواهد کرد تا بهتر بتوان در خصوص روشهای کنترل آبشستگی تصمیم گیری کرد.
سالیانه هزینه زیادی برای ساخت سازههای کنترل شیب صرف میشود و این سازه ها در معرض تخریب از طریق آبشستگی میباشند. لذا باید ابتدا الگوی جریان برای شناخت و بررسی مسئله آبشستگی، مورد برسی قرار گیرد. از اوایل دهه 1930، تعیین خصوصیات هیدرولیکی شیبشکنهای قائم با جریان زیربحرانی در بالادست و شیب کف صفر در پایاب، مورد توجه پژوهشگران مختلفی قرار گرفته است که ازجمله میتوان به بخمیتف - 1932 - ، مور - - 1943، وایت - - 1943، رند - - 1955، گیل - - 1979، راجارانتام و چمنی - - 1995، اشاره کرد. مور با انجام مطالعات آزمایشگاهی بر روی دو شیبشکن قائم با ارتفاعهای مختلف، نتیجه گرفت که افت انرژی به نسبت - - h/dc بستگی پیدا میکند که h ارتفاع شیبشکن و dc عمق بحرانی است.
بعد از انتشار نتایج تحقیقات مور، وایت آن را مورد ارزیابی قرار داده و با در نظر گرفتن یک سری فرضیات ازجمله شبیهسازی مدل جریان با مدل جت آزاد، یک مدل تحلیلی پیشنهاد داد. رند در مطالعات آزمایشگاهی خود، عبارت بدون بعدی را بهعنوان عدد شیب شکن تعریف نموده و بقیه پارامترها را تابعی از آن در نظر گرفت. گیل نیز با لحاظ کردن عمق گرداب، روابط وایت را تصحیح نمود.
راجاراتنام و چمنی با استفاده از دادههای آزمایشگاهی یک سری رابطههای تجربی بهدست آوردند و با بکارگیری فرضهای جدید روشی تحلیلی- تجربی برای برآورد خصوصیات هیدرولیکی جریان زیربحرانی ارائه نمودند. لذا عمده مطالعات پیشین بر روی مدل-سازی آزمایشگاهی و بدست آوردن روابط تجربی برای افت انرژی متمرکز بودهاند. چمنی وهمکاران با استفاده از قانون اندازه حرکت، معادله زیر را برای عمق مرده در حوضچه، ارائه نمودند.
الیاسی و همکاران - 1391 - ، الگوی جریان در اطراف آبشکن مستغرق در کانال مستقیم شیبداررا بررسی نمودند. و نشان دادند نتایج بهدست آمده از نرمافزار Flow-3D در خصوص سطح آزاد و پروفیلهای سرعت، تطابق مناسبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. آنها با بررسی اثر طول آّبشکن به این نتیجه دست یافتند که افزایش طول آبشکن، موجب بالا رفتن سرعت برروی دماغه آبشکن شد در حالیکه کاهش طول آن منجربه کاهش سرعت جریان شد. حبیبی و همکاران - - 1388، پدیده آبشستگی در پایاب دراپ قائم بلند را به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادند.
آنها توسط نرمافزار Flow-3D آبشستگی در پایاب دراپ قائم مدلسازی نمودند. و از مقایسه نتایج مدل عددی و آزمایشگاهی تطابق خوبی را مشاهده نمودند. تقیزاده و همکاران - 1393 - به بررسی الگوی روی سرریزهای سهجانبی پرداختند. آنها با استفاده از نرمافزار Flow-3D میدان جریان سهبعدی بر روی سرریز وآّبپایه در انتهای کانال جانبی را به صورت عددی و با استفاده از مدل آشفتگی RNG شبیه سازی نمودند. و با مقایسه نتایج با نتایج آزمایشگاهی، نشان دادند که مدل موردنظر قابلیت پیشبینی الگوی سهبعدی جریان مزبور را دارد اما در محل تشکیل گردهماهی در داخل کانال جانبی، مقادیر عددی کمتر از نتایج آزمایشگاهی بود.
همچنین در مقایسه نتایج عددی توزیع فشار در کف کانال با نتایج آزمایشگاهی، مشاهده نمودند که مدل عددی نتایج را مقادیرکمتری برآورد نموده است.در مطالعه حاضر کاربرد مدل عددی سه بعدی Flow-3D در شبیه سازی پائیندست شیب شکن مورد بررسی قرار گرفته است تا بتوان شناخت بیشتری از الگوی سه بعدی جریان بدست آورد.
-2 مواد و روشها
در مقاله حاضر با استفاده از شبیهسازی عددی و بهرهگیری از نرمافزار Flow-3D الگوی جریان پاییندست سازه کنترل شیب در کانالی به عرض 90 سانتیمتر و با استفاده از سرریز لبه پهن با ارتفاع 62/1 و طول تاج 20 سانتیمتر به عنوان سازه کنترل شیب، مورد بررسی قرار گرفت. به منظور شبیهسازی آشفتگی جریان از مدل آشفتگی RNG استفاده شده است. دلیل این بکارگیری این بوده است که نتایج پژوهشهای صورت گرفته نشان داده است که در جریانهایی مانند جهش هیدرولیکی، جت مستغرق و از این قبیل، مدل آشفتگی RNG از دقت قابل قبولی در شبیهسازی این پدیدهها برخوردار بوده است.
به دلیل اینکه جریان مورد بررسی در این تحقیق نوعی جت ریزشی مستغرق است، از این مدل برای شبیهسازی آشفتگی استفاده شده است. اما به منظور اطمینان از نوع مدل مورد استفاده در شبیهسازی آشفتگی، به ازای دبی نشت 14 لیتر بر ثانیه و عمق پایاب 21 سانتیمتر میدان جریان با استفاده از مدل آشفتگی k-ε نیز شبیهسازی شده است.
نوع و تراکم مشبندی روی دقت نتایج و زمان محاسباتی تأثیر میگذارد ازاین رو لازم بود تا با بررسی دقیق مشبندی مناسب انتخاب گردد که هم جوابگوی دقت مورد نیاز در محاسبات بوده و هم از نظر مدت زمان ران نرمافزار مورد قبول باشد. در این مقاله بررسی مشبندی مناسب برای شرایط مسئله از مشهای مستطیلی و با درنظر گرفتن بهترین حالت مشبندی یعنی نسبت ابعاد مش برابر با 1 میلی متر که همان مشبندی مکعبی میباشد استفاده گردید.
دراین راستا برای تعیین مقدار فواصل بین گرههای مشبندی نیز بدینگونه عمل شد که ابتدا از کوچکترین مشبندی ممکن شروع به کار شد با این شرط که مشبندی زمانی قابل تبدیل خواهد بود که نتایج به همگرایی رسیده و جریان پایدار حاصل شود. روش حجم سیال - - VOF جهت مدلسازی سطح آزاد به کار گرفته شده است. در مرز ورودی جریان آب، شرط مرزی ورودی دبی ثابت - - Volume Flow Rate ، در محل خروجی فلوم نیز شرط فشار - Specified Pressure - و در مرز فوقانی ودر کناره چپ سرریز شرایط مرزی تقارن - - Symmetry، شرایط مرزی در کف فضای مشبندی و کناره چپ سرریز شرایط مرزی دیوار - - Wall، به برنامه معرفی گردیده است.
بهمنظور صحتسنجی نتایج حاصل از نرمافزار از دادههای آزمایشگاهی رضوی نبوی - 1391 - که در آزمایشگاه مؤسسه تحقیقات آب اجرا گردید، استفاده شده است. آزمایشات مذکور در یک فلوم جمعاً به طول 12 متر و عرض 90 سانتیمتر با دیوارههابی از جنس پلکسی گلاس به اجرا درآمد. سازه کنترل شیب شامل سرریز لبه پهن با ارتفاع 62/1 و عرض تاج 20 سانتیمتر بود که در پایین آن ذرات رسوبی با دانهبندی مختلفی قرار میگرفتند.
برای صحتسنجی نتایج حاصل از مدل، نیمرخ سطح آب بهدست آمده از مدل با نتایج اندازهگیریهای نیمرخ سطح آب روی سرریز لبهپهن به ازای دبی جریان 25 لیتربرثانیه، مقایسه گردید و در شکل - 1 - ارائه شده است. مشاهده میشود، اختلاف ناچیزی بین مقادیر اندازهگیری شده و شبیهسازی شده وجود دارد. تنها اختلاف مشهود شبیهسازی محل ریزش جت درون حوضچه است. گفتنی است خطای نسبی بین مقادیر اندازهگیری شده و شبیهسازی شده در حدود 5 درصد است.
-3 نتایج
همانطور که اشاره شد برای کالیبره کردن مدل به کمک دادههای آزمایشگاهی نبوی - - 1391 و با در نظر گرفتن اندازه مشهای مختلف مدل اجرا گردید که نتایج محاسباتی برای دو دبی 15 و 25 لیتر برثانیه به همراه نتایج مدل عددی در شکل - 1 - نشان داده شده است. توضیح اینکه کالیبره کردن مدل به کمک داده های با دبی 15 لیتر بر ثانیه انجام شده است.
